利用相位空间光调制器建立激光光束的振幅和相位

Miguel Carbonell-Leal; Omel Mendoza-Yero

doi:10.3791/59158

方法文章

利用相位空间光调制器建立激光光束的振幅和相位

DOI：

10.3791/59158

⸱

2019年1月28日

Miguel Carbonell-Leal¹ , Omel Mendoza-Yero¹

¹Institut de Noves Tecnologies de la Imatge (INIT), Universitat Jaume I

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们展示了如何使用单相单元对激光束的复杂场进行编码。采用共径干涉仪将显示的相位信息混合到仅相位的空间光调制器中, 最终在光学成像系统的输出端检索所需的复杂场模式。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文的目的是直观地演示如何使用干涉法对与相干激光辐射相关的复杂领域进行编码。该方法基于两个均匀波的相干和, 这两个波以前通过相位的空间多路复用编码成一个仅相位的空间光调制器 (slm)。在这里, 通过对某些成像系统的傅里叶平面上的光频率进行空间滤波来进行干涉过程。该方法的正确实现允许在光学系统输出端检索任意相位和振幅信息。

它是一种轴上编码技术, 而不是离轴编码技术, 具有直接处理算法 (而不是迭代循环), 并且没有相干噪声 (散斑)。除了由于频率滤波过程而造成的分辨率损失外, 复杂场可以在光学系统的输出处精确地检索。该方法的主要局限性可能来自于无法以高于可持续土地管理刷新率的频率运行。应用包括但不限于线性和非线性显微镜、光束整形或材料表面的激光微加工。

引言

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几乎所有的激光应用都与光的光波前管理密切相关。在近轴近似中, 与激光辐射相关的复杂场可以用振幅和相位两个术语来描述。控制这两个术语对于随意修改激光束的时间和空间结构是必要的。一般来说, 激光束的振幅和相位可以通过多种方法进行适当的改变, 包括使用从单个体积透镜、光束分离器和镜子到最复杂的设备 (如变形反射镜或空间光) 的光学元件调制器。本文提出了一种基于双相全息图^{理论 1}的相干激光束复杂场的编码和重构方法, 以及共径干涉仪的应用。

目前, 对激光束^2、³^、⁴^、⁵的复杂领域进行编码的方法多种多样。在此背景下, 一些成熟的相位调制和幅度调制方法依赖于数字全息图⁶的使用。所有这些方法中的一个共同点是必须生成空间偏移量, 以便将所需的输出光束与 slm 显示屏上的光线反射所产生的零阶分离。这些方法基本上是离轴的 (通常适用于光栅的第一衍射顺序), 不仅采用相位光栅对相位进行编码, 而且还引入必要的幅度调制。特别是通过空间降低光栅高度来实现幅度调制, 这清楚地降低了衍射效率。全息图重建过程大多得到所需复杂场的振幅和相位的近似但不精确的重....

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方案

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1. 将复杂字段编码为单相元素

从 slm 的技术规格中, 找到其空间分辨率 (例如1920像素 x 1800 像素)。
定义并生成所需的振幅a(x, y) 和相位 (x,y) 模式作为数字图像.
1. 设置上述数字图像的空间分辨率与 slm 显示的空间分辨率相等。
2. 以灰度格式设置上述数字图像。
3. 将振幅和相位图像的最小值和最大值分别设置为0到 255, 并从-/2 到2。
4. 在公式2和3中设置a_最大值 = 2, 计算机从它们生成相位模式 (x, y) 和(x,y).
计算机生成棋盘模式m₁(x,y) 和m2(x,y).
1. 设置这些棋盘图案的空间分辨率与 slm 显示的空间分辨率相等。
2. 为了减少像素串扰的影响, 生成其他对棋盘模式m1 (x,y) 和

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结果

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所使用的相位 slm 的空间分辨率为1920像素 x 1080 像素, 像素间距为8μm。复杂场的选定振幅a(x, y) 和相位(x,y) 由两个不同的灰度图像定义, 这些图像对应于众所周知的 lenna 的图片 (振幅模式) 和一个年轻女孩伸出她的舌头 (阶段模式), 分别。一般来说, 对于生成必要的模式和控制 slm, 都使用了 matlab 代码。这些图像的空间分辨率设置为1920像素 x 1080 像素。然后, 用方程2和3来确定a_最大值 = 2的相位模式 (x,y) 和(x,y)。请注意, a _最大保证术语 b = 1, 因此, eq. (1) 所描述的复场 u (x,y) 的数值可以理解为两个均匀波.......

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讨论

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在该协议中, 实用参数 (如纯相位 slm 的像素宽度或计算机生成模式的像素单元中包含的像素数) 是成功实现编码方法的关键点。在协议的步骤1.2、1.3 和1.4 中, 像素宽度越短, 检索到的振幅和相位模式的空间分辨率就越高。此外, 由于对像素到像素相位调制的模化为 slm 可能会产生意外的相位响应 (像素串扰), 棋盘图案的构造 (如步骤1.3 所述) 应与像素单元格中的像素数。这样做的主要原因是为了减轻像素串扰对检索到的振幅和相位模式的影响。但是, 当增加像素单元格中的像素数时, 记录的复杂字段模式a_检索(x, y) 和检索 (x,y)的空间分辨率为减少。因此, 具有低像素宽度的高空间分辨率 slm 可以减少可能的串扰效应, 而不会在检索到的振幅和相位模式中丢失显著的空间分辨率。

此外, 在协议的步骤1.2.3 中, 复杂场的相位从-/2 定义为/2。设置相位范围的主要原因是生成相元素α(x.......

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

这项研究得到了 valenciana 将军 (promeet 2016-079)、jaume i 大学 (ujib2016-19) 的支持;和部长级经济和竞争和竞争 (mineco) (fis2016-75618-r)。作者非常感谢 jaume i 大学的 scic 使用飞秒激光。

....

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材料

本文使用的材料清单
姓名	公司	目录编号	评论
消色差双合透镜	THORLABS	AC254-100-B-ML	镜头直径 25.4 mm，焦距 100 mm
消色差伽利略扩束镜	THORLABS	GBE05-A	AR 镀膜：400 - 650 nm
Basler 相机	BASLER	avA1600-50gm GigE 相机	传感器尺寸 8.8 mm x 6.6 mm，皮方尺寸 5.5 微米
安装零光圈光	THORLABS	ID12Z/M	Max孔径 12 mm
薄膜分光镜	THORLABS	CM1-BP145B2	45：55 （R：T），镀膜：700 - 900 nm
PLUTO 空间光调制器	HOLOEYE Photonics AG	NIR-II	仅相位空间光调制器（针对 700 -1000 nm 优化）
两个薄膜激光偏振器	EKSMA OPTICS	420-0526M	材料 BK7，直径 50 mm，波长 780-820 nm

圈

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hsueh, C. K., Sawchuk, A. A. Computer-generated double-phase holograms. Applied Optics. 17 (24), 3874-3883 (1978).
Arrizón, V. Complex modulation with a twisted-nematic liquid-crystal spatial light modulator: double-pixel approach. Optics Letters.

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